某地鐵盾構(gòu)穿越紅砂巖特殊地層風險管控措施研究分析

袁 斌

（蘭州市軌道交通有限公司，甘肅 蘭州 730000）

目前，隨著城市軌道交通施工項目規(guī)模和難度的增大、項目數(shù)量的增加，盾構(gòu)施工風險管控措施備受社會各界人士的密切關(guān)注，同時盾構(gòu)施工過程中的風險管控措施直接影響人民群眾的生命、財產(chǎn)安全。因此，盾構(gòu)穿越特殊地層前需制定科學(xué)、合理、全面、可行的風險管控措施是進行風險管理的重中之重。

1 公定區(qū)間工程概況

某城市軌道交通2 號線一期工程公交五公司站～定西路站區(qū)間左線長733m、右線長828m。隧道埋深10.4～24.5m，線間距14.0～81.7m，地下水位9.6～16.4m，區(qū)間最小曲線半徑為350m，區(qū)間縱斷面最大縱坡29.5‰，采用盾構(gòu)法施工。設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道兼泵房一處。

盾構(gòu)隧道穿越地層以強風化粉砂巖及中風化粉砂巖為主，局部為卵石。

水位高程1510.96～1513.91m，粉砂巖透水性較差，但強風化粉砂巖及中風化粉砂巖由于成巖性較差，裂隙較發(fā)育，層內(nèi)存在裂隙水，并與潛水相連通。同時該區(qū)間范圍內(nèi)紅砂巖地層裂隙較發(fā)育，盾構(gòu)掘進過程中正常擾動易使圍巖迅速產(chǎn)生液化、呈流塑狀，易出現(xiàn)螺旋機噴涌及超方現(xiàn)象，嚴重威脅地面人員、建筑安全。

2 風險源辨識

根據(jù)本盾構(gòu)區(qū)間施工的特點及周邊地質(zhì)情況，充分考慮到施工技術(shù)難度極其不利條件等，綜合評價和分析，確定本盾構(gòu)區(qū)間的重大危險源，如盾構(gòu)穿越障礙物、機械傷害、隧道涌水、臨時用電、毗鄰建（構(gòu)）筑物保護、管線保護、起重吊裝、重大環(huán)境污染等。

1）盾構(gòu)施工風險。勘探揭露，區(qū)間地層自上而下依次由第四系全新統(tǒng)人工填土、沖積黃土狀粉土、粉細砂、卵石及下第三系砂巖等構(gòu)成。根據(jù)巖土的時代成因、地層巖性和工程性能，場地地層自上而下可劃分為8 個工程地質(zhì)層，各層土的巖性特征及埋藏條件詳見表1。

表1 地層巖性及埋藏條件

根據(jù)勘察及區(qū)域地質(zhì)資料，含水層主要為卵石層，潛水含水層厚度為2.9～14.7m。區(qū)間含水層為2-1-2 層黃土狀土（粉土）、2-5 層粉細砂、2-10 層卵石、4-2-1 層強風化砂巖和4-2-2 中風化砂巖。其中2-10 層卵石厚度大、透水性好、賦水性強，為場地主要含水層；第三系砂巖透水性較小，賦水性弱，可視為相對隔水層。但區(qū)間隧道主要在雜填土和強風化巖中穿行，強風化巖砂巖遇水或長期暴露在空氣當中，易風化，進而出現(xiàn)崩塌現(xiàn)象，可能引起盾構(gòu)掘進困難、隧道涌水涌砂、地表沉陷等風險。特別是盾構(gòu)接收時土體會受到強大的向外推力，同時盾構(gòu)端頭有較大的臨空面，施工時處理不到極易發(fā)生重大安全事故。

2）周邊環(huán)境風險。區(qū)間左線在公交五公司站后向東下穿晟佳公司家屬院、金信小區(qū)后下穿現(xiàn)況排洪溝，并沿排洪溝東岸平行敷設(shè)，下穿省銀廈建筑設(shè)備公司后，再次下穿現(xiàn)況排洪溝至溝西側(cè)后，到達定西路站；區(qū)間右線出公交五公司站后沿排洪南路向東敷設(shè)，下穿現(xiàn)況排洪溝后折向北，經(jīng)過甘南花園西區(qū)、七建安裝公司、匯成服裝大廈后，再次下穿現(xiàn)況排洪溝，至定西路站止。通過周邊環(huán)境調(diào)查發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)區(qū)間還存在大量舊民房（無基礎(chǔ)、磚混結(jié)構(gòu)、大量沉降裂縫、地面無加固條件）、老舊建筑（整體性差、自身缺陷嚴重)，兩側(cè)有多棟多層和小高層建筑物，金信小區(qū)、蘭州海蘭天龍商貿(mào)有限公司、甘南花園(西區(qū))3 棟住宅樓、省建七公司第一安裝公司6 棟層住宅樓、甘肅建工建設(shè)機械制造有限公司6 號樓及大量1-2 層民宅。區(qū)間隧道穿越停車場出入線暗挖隧道（拱頂距暗挖隧道最小垂直凈距為2.03m）以及4 次穿越排洪溝（漿砌片石護坡、錯臺開裂嚴重、溝內(nèi)污水、雜物較多）。

由上表2 可知，沿線路方向存在部分較接近的重要建筑設(shè)施及一層自建民房，盾構(gòu)掘進可能導(dǎo)致上部建筑基礎(chǔ)沉降、結(jié)構(gòu)變形開裂；同時沿排洪南路布設(shè)多條市政管線，盾構(gòu)施工可能造成道路不均勻沉降，進而造成地下管線不均勻沉降，甚至發(fā)生斷裂、泄露。

表2 公定區(qū)間沿線建（構(gòu)）筑物梳理表

（續(xù)表2）

3 風險管控措施研究分析

盾構(gòu)掘進施工前，通過周邊環(huán)境調(diào)查、地質(zhì)核查、專家評估等對風險源進一步評估，研究確定了棚戶區(qū)拆除、緊急避險、優(yōu)化盾構(gòu)掘進參數(shù)等風險控制措施。

1）管理措施。對建（構(gòu)）筑物進行現(xiàn)狀調(diào)查，對有風險建筑物進行危房鑒定（見表3），并針對建（構(gòu)）筑物現(xiàn)存裂縫進行公證，為后期施工監(jiān)控測量提供依據(jù)；然后，采用雷達掃描、鉆孔等方法在各風險源處進行地質(zhì)補勘，與地勘圖紙進行比對，結(jié)合以往盾構(gòu)推進經(jīng)驗分析地質(zhì)特性，優(yōu)化盾構(gòu)掘進參數(shù)；其次，多次組織多領(lǐng)域?qū)＜疫M行咨詢論證，完善了《公定區(qū)間盾構(gòu)風險源穿越安全專項施工方案》，確保了方案的針對性和實操性；最后，與政府溝通協(xié)調(diào)對大部分棚戶區(qū)進行拆除，因特殊原因無法拆除的，采用緊急避險措施。

2）技術(shù)措施。盾構(gòu)施工過程中，結(jié)合現(xiàn)場實際情況動態(tài)調(diào)整盾構(gòu)掘進參數(shù)，嚴格控制推進速度和盾構(gòu)姿態(tài)，正常推進時速度在25～45mm/min 之間，單環(huán)掘進時間45～55min 之間，若速度小于20mm/min，應(yīng)分析原因，避免盲目掘進導(dǎo)致出土量過大致使地面沉降。盾構(gòu)姿態(tài)控制現(xiàn)場以校核自動導(dǎo)向系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)并復(fù)核盾構(gòu)機的位置、姿態(tài)，確保盾構(gòu)掘進方向的正確。同時通過渣土改良有效控制出渣量，每環(huán)理論出渣量＝π×L×D2/4＝π×6.4562×1.2/4＝39.26m3/環(huán)，根據(jù)某城市地鐵1 號線經(jīng)驗，紅砂巖松散系數(shù)在1.2～1.35 之間，由此可推斷紅砂巖復(fù)合地層松散系數(shù)在1.25～1.3 之間；估全斷面紅砂巖地層每環(huán)出土量=39.26m3/環(huán)×1.3=51m3/環(huán)盾構(gòu)推進出渣量控制為51±3m3/環(huán)；出渣量是前方地層穩(wěn)定與否的直觀反映，在泡沫與水注入正常的情況下，每環(huán)的出渣量不超過計算高限值，遇到發(fā)生容易坍塌的地層，出渣量往往偏大。因此，在掘進過程中的出土量是重點盯控項目。加強同步注漿及二次注漿，保證盾體和地層之間縫隙填充飽滿，有效的控制減少對地層擾動和地層損失。渣土改良：①利用泡沫劑、膨潤土對刀盤前面的掌子面原土進行改良；②在土倉內(nèi)利用注入膨潤土、水對渣土進行二次改良；③在螺旋機筒壁上設(shè)置的泡沫和膨潤土注入口，注入泡沫劑、膨潤土或分散劑對渣土進行再次改良。同步注漿及二次注漿，同步注漿速度應(yīng)與掘進速度相匹配，按盾構(gòu)完成一環(huán)掘進的時間內(nèi)完成當環(huán)注漿量來確定其平均注漿速度。采用注漿壓力和注漿量雙指標控制標準，即當注漿壓力達到設(shè)定值，注漿量達設(shè)計值的90%以上時，即可認為達到了質(zhì)量要求。注漿壓力相當于區(qū)間埋深處的地層應(yīng)力時，對減少地層損失和地表沉降量效果最為顯著，但不能過大，過大會產(chǎn)生“劈裂現(xiàn)象”，即造成注漿層切入地基的情況?？紤]到注漿時的壓力損失，為保證達到對環(huán)向空隙的有效充填，同時又能確保管片結(jié)構(gòu)不因注漿產(chǎn)生變形和損壞，根據(jù)計算和經(jīng)驗，注漿壓力一般取值為0.2～0.3MPa。

注漿量根據(jù)經(jīng)驗公式：Q=[π(D12-D22)/4]·L·α

D1—理論掘削半徑，為6456mm；

D2—管片外徑，為6200mm；

m—行程長度，1.2m；

α—注入率，根據(jù)地質(zhì)情況和實踐總結(jié)，一般取1.5～2；可計算得每環(huán)注漿量：1.2m 管片Q=4.58～6.1m3，本工程施工時每環(huán)不少于6m3。本工程現(xiàn)場采用“153 法”即每5 環(huán)進行二次注漿，第1、5 環(huán)采用雙液漿，第3 環(huán)采用單液漿。超前地面探孔：盾構(gòu)掘進方向前50m 范圍內(nèi)，間隔5m 進行地面探孔，孔深5m，探測地表是否存在空腔、松散體等，以便提前處置可能出現(xiàn)的塌方、超標沉降等有風險事件，同時預(yù)埋注漿管。盾構(gòu)掘進過程中發(fā)生監(jiān)測黃色預(yù)警累計4 次，橙色預(yù)警2 次，通過地表深孔注漿、洞內(nèi)二次注漿及徑向環(huán)箍注漿，有效控制了地面建（構(gòu)）物沉降。

盾構(gòu)掘進完成后，在盾構(gòu)掘進后采取洞內(nèi)徑向環(huán)箍注漿措施（在管片外部1.5m 范圍內(nèi)形成環(huán)箍），經(jīng)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，本區(qū)間地層累計沉降量控制在5mm 以內(nèi)。此外，對掘進后區(qū)域進行地質(zhì)雷達掃描，經(jīng)數(shù)據(jù)顯示地層中無松散及空洞情況。

3）環(huán)境措施。針對區(qū)間沿線老舊建構(gòu)筑物，在盾構(gòu)下穿前采取地面加固施工，地面加固措施采用地表注漿預(yù)加固結(jié)合跟蹤注漿；同時盾構(gòu)隧道與暗挖隧道平行約45m，間距2.75～7.94m，右線下穿停車場出入線暗挖隧道，拱頂距暗挖隧道最小垂直凈距為2.03m。為保證順利下穿暗挖隧道，暗挖隧道需二襯施工完成，砼達到設(shè)計強度后進行盾構(gòu)下穿施工。暗挖與盾構(gòu)平行段為防止盾構(gòu)施工中對暗挖區(qū)間隧道影響，在兩條隧道之間施作隔離樁51 根（樁深約25m,樁徑0.8m,樁間距1.4m)，同時在暗挖隧道內(nèi)采用套拱加橫撐及徑向注漿的方式進行了加固處理。盾構(gòu)掘進過程中經(jīng)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，地表累計沉降量均在規(guī)范及設(shè)計圖紙要求范圍內(nèi)。

4 風險管控效果

目前，通過事前、事中、事后等控制措施，政府協(xié)調(diào)拆除約9500m2老舊民房，已順利穿越3 次排洪溝，15 處老舊建筑，約4000m2老舊民房，雖發(fā)生地層沉降黃色預(yù)警4 次，橙色預(yù)警2 次，預(yù)警發(fā)生后立即組織召開預(yù)警分析會，分析施工安全風險并研究制定處置措施，通過地表預(yù)留注漿孔進行地表深孔注漿、洞內(nèi)二次注漿及徑向環(huán)箍注漿等措施，地層累計沉降量控制在5mm 以內(nèi)，未產(chǎn)生建（構(gòu)）物沉降、傾斜、開裂等風險事件。截至目前，雙線已順利通過暗挖隧道下穿段及并行段，并且盾構(gòu)機順利接收。

5 結(jié)論

通過該區(qū)間盾構(gòu)掘進情況及結(jié)合工程周邊自身風險因素，盾構(gòu)在穿越特殊地層及段落的風險管控措施尤為關(guān)鍵，施工過程中除盾構(gòu)機選型要注意配置耐磨度及尺寸合適的刀盤外，同時要嚴格控制推進速度和推進壓力，避免對周圍土體產(chǎn)生擾動、擠壓變形，進而引起地面變形或坍塌、地面噴漿冒砂現(xiàn)象；在穿越卵石、粉砂巖交錯位置時，需調(diào)整盾構(gòu)參數(shù)，防止偏心，嚴格控制施工中的偏差量；建議管片背后及時注漿回填，避免產(chǎn)生沉陷；若有過大變形，應(yīng)及時找出原因，采取有效措施阻止變形的進一步發(fā)展，避免出現(xiàn)重大險情。

本區(qū)間盾構(gòu)掘進過程中，雖通過對危房鑒定、裂縫公證、地下松散土體和空洞探測、組織召開專家咨詢論證會等方式方法提前對周邊環(huán)境及風險源進行了充分辨識，同時結(jié)合地質(zhì)情況對盾構(gòu)掘進參數(shù)進行了優(yōu)化，但仍發(fā)生黃色預(yù)警4 次，橙色預(yù)警2 次，現(xiàn)場根據(jù)預(yù)警分析會確定的方案進行處置，確保了雙線順利貫通。在后續(xù)施工中應(yīng)結(jié)合本次掘進經(jīng)驗，嚴格控制推進速度和盾構(gòu)姿態(tài)，進一步優(yōu)化掘進參數(shù)，減少預(yù)警頻率，以便指導(dǎo)施工。